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    鋰離子電池安全性研究及影響因素

    放大字體  縮小字體 發布日期:2014-11-22  來源:中國鋰電網(中國鋰電池網)  瀏覽次數:16818
      在科技飛速發展的今天,各種移動的電子設備在人類生活中大量應用,鋰電池也隨之迅速發展成為二次電池領域中重要的一個產業。
      鋰電池在比容量、無記憶效應、長壽命、環保等綜合性能遠遠超過其他二次電池,鋰電池被稱為終極電池,但為什么在大容量電池領域卻沒有見到鋰電池的身影呢?關鍵問題是受到鋰電池的安全性問題的制約。鋰離子電池*大的安全隱患爆炸、漏液等。
      一、產生的原因
      1、內部短路:是鋰離子電池的*大的隱患產生的原因,是在鋰離子電池生產過程中,由于正負極片出現的毛刺、破損、掉粉、氣泡等多方面原因,出現次品,在使用過程中,在過充的情況下(甚至正常充放電時),鋰離子在負極堆積形成枝晶,刺穿隔膜,形成內部短路。
      2、產生大電流:外部短路,內部短路將產生幾百安培甚至更大的過大電流。i.外部短路時,由于外部負載過低,電池瞬間大電流放電。在內阻上消耗大量能量,產生巨大熱量。ii.內部短路,主要原因是隔膜被穿透,內部形成大電流,溫度上升導致隔膜熔化,短路面積擴大,進而形成惡性循環而使產生爆炸或其他安全問題;
      3、氣體的產生:鋰離子電池為達到單只電芯3.0-4.2V的高工作電壓(鎳氫和鎳硌電池工作電壓為1.2V,鉛酸電池工作電壓為2V),必須采取分解電壓大于2V的有機電解液,而采用有機電解液在大電流,高溫的條件下會被電解,電解產生氣體,導致內部壓力升高,嚴重會沖破殼體。
      4、燃燒:熱量來源于大電流,同時在高電壓(超過5V)情況下,正極鋰的氧化物也會發生氧化反應,析出金屬鋰,在氣體導致殼體破裂的情況下,與空氣直接接觸,導致燃燒,同時引燃電解液,發生強烈火焰,氣體急速膨脹,發生爆炸。
      5、外因作用:如:針刺和撞擊溫度升高,氣體急速膨脹,發生爆炸。
      二、采取的措施
      1、隔膜的遮斷電流防止電池的安全隱患起了關鍵作用,隔膜是短路情況下的保護帶,即隔膜在大約130度時電阻會突然增大,從而阻止鋰離子在之間傳輸,隔膜在130度以上時,其保護帶越安全。
      電池使用不當(如短路、過充等)致使其溫度的升高將使得隔膜的電阻可能增加2~3個量級。隔膜不僅要求在130℃左右能夠電流遮斷,而且要求其在更高的溫度下能夠保持其軟化完整性,高溫的軟化完整性對于在長時間的過充或者是長時間暴露在高溫環境下的電池安全性能來說同樣十分重要。
      電池充電控制系統未能即時正確地反饋電池電壓時或者電池充電器損壞等原因,這時候電池就會存在過充電現象。當過充電發生時,在正極材料中的鋰離子繼續被脫出而嵌入到負極材料中去,如果達到了碳負極嵌鋰的*大限度時,那么多余的鋰則會以金屬鋰的形式沉積在碳負極材料上,這樣使得電池的熱穩定性能大大降低。因為焦耳熱是與I2R成正比的,所以在較高的倍率充放條件下,產生的熱量就會大量的增加。隨著溫度的升高,電池內部的幾個放熱反應(如鋰和電池電極間的反應,正負極材料的熱分解反應以及電解液的熱分解反應等)可能發生。隔膜的電流遮斷功能在電池溫度達到聚乙烯的熔點附近時發生作用。隔膜的微孔一旦由于其軟化而坍塌或封閉時,電池則不能再進行充放電了。如再繼續進行過充,雖然隔膜能夠保持其電流遮斷特性,但這時電池不允許再升溫。
      為防止內部短路,隔膜不能允許任何枝晶穿透。當電池發生內部短路時,如果這種故障不是瞬間發生的,那么隔膜就是**能夠防止電池熱失控的裝臵.但是,如果升溫速率太快,故障在瞬間發生,隔膜就不能起到遮斷電流的作用;如果升溫速率不是很高,則隔膜的電流遮斷功能就能夠起到控制升溫速率進一步阻止電池熱失控的作用。
      針刺,當釘子釘入電池時就會發生瞬間內部短路。這是因為在釘子和電極之間形成的回路間的電流會產生大量的熱所致。釘子和電極間的接觸面積的熱量也就越大。當局部產生的熱量導致電解液和電極材料分解時,熱失控就會發生。另一方面,如果電池被完全穿透,那么接觸面積的增加就會減小電流密度,由于電極與釘子間的接觸面積小于其與金屬集流體之間的接觸面積,所以內部短路電流比外部短路時要大得多。
      當釘子穿過時,電壓從4.2V瞬時突降至0V,同時電池的溫度升高。當升溫速率較低時,在電池溫度接近隔膜的電流遮斷溫度時就會停止升溫;如果升溫速率太快,會在達到隔膜電流遮斷溫度時,電池還將繼續升溫,隔膜的電流遮斷也就失去了其功能。這種情況下,隔膜的電流遮斷來不及作用阻止電池的熱失控。
      撞擊,隔膜的作用僅僅是延遲內部短路造成的熱失控。具有高溫軟化完整性和電流遮斷功能的隔膜需通過內部短路測試。用在高容量電池中的薄隔膜所展示的各種性能也必須與較厚的隔膜相似。隔膜的機械強度損失需要通過電池的設計進行平衡,而隔膜在橫向和縱向的性質也必須一致以保證電池在非正常使用時的安全性。
      2、電池鋼殼的刻痕:電芯入殼后,要對電池進行沖槽操作,使電池外殼上有刻痕,當故障發生時,氣體急速膨脹,沖破刻痕氣體放出,對電池發生爆炸起到了保護作用。
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